KR20090052228A - Fabrication method of poly-crystalline si thin film and transistor adopting the same - Google Patents
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Abstract
다결정 실리콘 박막 및 이를 적용하는 박막 트랜지스터의 제조방법이 개시된다. 개시된 다결정 실리콘 박막의 제조방법은 기판 상에 비정질 실리콘으로 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층에 금 나노로드를 도포하는 단계; 상기 금 나노로드에 적외선 영역의 광을 조사하여 상기 활성층을 결정화 시키는 단계;를 포함한다.Disclosed are a polycrystalline silicon thin film and a method of manufacturing a thin film transistor using the same. The disclosed polycrystalline silicon thin film manufacturing method includes forming an active layer of amorphous silicon on a substrate; Applying gold nanorods to the active layer; And irradiating the gold nanorods with light in an infrared region to crystallize the active layer.
Description
본 발명은 다결정 실리콘 박막 및 이를 적용하는 박막 트랜지스터의 제조방법에 대한 것으로, 상세하게는 저온에서 대면적으로 결정화가 가능한 다결정 실리콘 박막 및 이를 적용하는 박막 트랜지스터의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a polycrystalline silicon thin film and a method of manufacturing a thin film transistor using the same, and more particularly, to a polycrystalline silicon thin film capable of large-area crystallization at low temperature and a method of manufacturing a thin film transistor using the same.
최근 유기발광디스플레이나 액정디스플레이의 등에 사용되는 LTPS TFT (Low temperature poly-Si)에 대한 연구가 활발히 진행되어 외부의 드라이버 IC 를 완전히 없앤 SOG(System on Glass)에 대한 연구가 증가하고 있다. 외부의 드라이버 IC를 디스플레이 패널 자체에 같이 형성하여 패널과 외부 드라이버 IC 사이의 연결선이 필요 없게 되어 디스플레이의 불량이 감소하고 신뢰성이 크게 향상될 수 있다. 궁극적으로 데이터 및 게이트 드라이버 IC 뿐만 아니라 콘트롤러(controller)를 포함한 모든 디스플레이 시스템이 패널에 집적되는 SOG가 최종목표일 것이다. 이러한 목표를 달성하기 위하여 LTPS의 이동도가 400 cm2/Vsec 보다 크며, 균일성도 우수 하여야 한다. 그러나 현재의 알려져 있는 ELA(Excimer Laser Annealing), SLS(Sequential Lateral Solidification), MILC(Metal-Induced Lateral Crystallization)등의 방법은 아직 소망하는 품질의 LTPS의 제조에 이르지 못하고 있다. Recently, research on LTPS TFT (Low temperature poly-Si) used in organic light emitting display or liquid crystal display has been actively conducted, and research on SOG (System on Glass) which completely eliminated the external driver IC is increasing. By forming an external driver IC together on the display panel itself, a connection line between the panel and the external driver IC is unnecessary, so that the display defect can be reduced and the reliability can be greatly improved. Ultimately, the end goal will be SOG, in which all display systems including controllers as well as data and gate driver ICs are integrated into the panel. To achieve this goal, the mobility of LTPS is greater than 400 cm 2 / Vsec and the uniformity must be excellent. However, currently known methods such as Excimer Laser Annealing (ELA), Sequential Lateral Solidification (SLS), and Metal-Induced Lateral Crystallization (MILC) have not yet produced LTPS of desired quality.
다결정성 실리콘을 제조하는 방법에는 다결정성 실리콘을 직접 증착하는 방법과 비정질 실리콘을 증착한 후 이를 결정화하는 방법이 있다. 결정화 방법은 기판에 비정질 실리콘을 형성한 후 이를 ELA(Excimer Laser Annealing) 즉 엑시머 레이저에 의해 열처리함으로써 비정질실리콘을 결정화하여 다결정 실리콘으로 변환한다.Methods of preparing polycrystalline silicon include a method of directly depositing polycrystalline silicon and a method of depositing amorphous silicon and then crystallizing it. In the crystallization method, amorphous silicon is formed on a substrate and then heat-treated by Excimer Laser Annealing (ELA), that is, an excimer laser, to crystallize amorphous silicon and convert it to polycrystalline silicon.
ELA 법에 사용되는 엑시머 레이저는 한 변의 길이가 대략 1 cm인 사각 빔(square beam)이다. 이러한 사각 빔을 이용한 넓은 면적의 비정질 실리콘의 열처리는, 빔 사이즈의 크기로 잘게 분할된 바둑판의 분할 영역들에 대해 시순차적으로 진행된다. 이러한 영역별 순차적 열처리에 따르면 단위 열처리 영역 간의 경계 부분에 결정화가 되지 않거나 결정화되더라도 다른 부분과는 다른 결정 상태를 갖는 부분이 발생한다. 이러한 단위 열처리 영역 간 경계는 다결정 실리콘의 국부적 품질을 좌우하여 AMLCD(Active Matrix Liquid Crystal Display)나 AMOLED(Active Matrix Organic Light Emission Diode Display)의 경우 화소 별 트랜지스터의 동작 특성이 균일하지 못하고 따라서 이러한 동작 특성 차이가 화면 상에 불균일함으로 나타난다.The excimer laser used in the ELA method is a square beam having a length of approximately 1 cm. Heat treatment of a large area of amorphous silicon using such a square beam proceeds sequentially from the divided regions of the checkerboard, which are finely divided into beam size. According to the sequential heat treatment for each region, a portion having a crystal state different from that of other portions occurs even when crystallized or not crystallized at the boundary portion between the unit heat treatment regions. The boundary between the unit heat treatment regions influences the local quality of the polycrystalline silicon. Therefore, in the case of an active matrix liquid crystal display (AMLCD) or an active matrix organic light emission diode display (AMOLED), the operating characteristics of the pixel-by-pixel transistors are not uniform. The difference appears as non-uniform on the screen.
본 발명은 금 나노로드가 흡수하는 적외선 영역의 광을 이용하여 저온에서 대면적으로 결정화가 가능한 다결정 실리콘 박막 및 이를 적용하는 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. It is an object of the present invention to provide a polycrystalline silicon thin film capable of large-area crystallization at low temperature using light in an infrared region absorbed by gold nanorods and a method of manufacturing a thin film transistor using the same.
본 발명의 예시적 실시예(Exemplary Embodiment)에 따르면, According to an exemplary embodiment of the present invention,
기판 상에 비정질 실리콘으로 활성층을 형성하는 단계;Forming an active layer of amorphous silicon on the substrate;
상기 활성층에 금 나노로드(Au nano-rod)를 도포하는 단계;Applying gold nanorods to the active layer;
상기 금 나노로드에 적외선 영역의 광을 조사하여 상기 활성층을 결정화 시키는 단계;를 포함하는 다결정 실리콘 박막의 제조방법이 제공된다.And crystallizing the active layer by irradiating the gold nanorods with light in an infrared region. A method of manufacturing a polycrystalline silicon thin film is provided.
상기 금 나노 로드는 직경에 대한 길이의 비율이 0.5내지 2일 수 있다.The gold nanorods may have a ratio of length to diameter of 0.5 to 2.
상기 활성층과 상기 금 나노로드 사이에 열전달층(heat transfer layer)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include forming a heat transfer layer between the active layer and the gold nanorods.
상기 열전달층은 Mo, Cr, Au, Ag, AlN 일 수 있다.The heat transfer layer may be Mo, Cr, Au, Ag, AlN.
상기 적외선 영역의 광의 파장은 750~910 nm 일 수 있다.The wavelength of the light in the infrared region may be 750 ~ 910 nm.
본 발명의 다른 예시적 실시예에 따르면,According to another exemplary embodiment of the present invention,
기판 상에 비정질 실리콘으로 활성층을 형성하는 단계;Forming an active layer of amorphous silicon on the substrate;
상기 활성층에 금 나노로드를 도포하는 단계;Applying gold nanorods to the active layer;
상기 금 나노로드에 적외선 영역의 광을 조사하여 상기 활성층을 결정화 시 키는 단계;Irradiating the gold nanorods with light in an infrared region to crystallize the active layer;
상기 활성층에 불순물 이온을 도핑한 후, 패터닝하여 채널 영역을 형성하는 단계;Doping the active layer with impurity ions and then patterning to form a channel region;
상기 채널 영역의 양측 각각에 위치하는 소오스와 드레인을 형성하는 단계;를 포함하는 박막트랜지스터의 제조방법이 제공된다.A method of manufacturing a thin film transistor is provided, the method comprising: forming a source and a drain positioned at both sides of the channel region.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 다결정 실리콘 박막 및 이를 적용하는 박막 트랜지스터의 제조방법을 상세하게 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.Hereinafter, a polycrystalline silicon thin film and a method of manufacturing a thin film transistor using the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings refer to like elements, and the size of each element may be exaggerated for clarity.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다결정 실리콘 박막 제조 방법의 공정도 이다. 도 1a를 참조하면, 기판(110) 상에 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 활성층(150)을 형성한다. 상기 활성층(150)은 SiH4 및 H2의 혼합가스를 소스 가스로 하여 상기 PECVD 방식으로 형성할 수 있다. 비정질 실리콘층의 두께는 500 내지 2000 Å 일 수 있다. 상기 기판(110)으로는 일반적인 반도체 소자의 기판으로 사용되는 물질로 형성할 수 있으며, 실리콘, 유리 또는 유기물 재료를 사용할 수 있다. 상기 기판(110)과 상기 활성층(150) 사이에는 실리콘 산화막(SiOx)과 같은 절연 물질로 이루어진 차단층(110a)이 형성될 수 있다. 상기 차단층(110a)은 SiH4, H2, N2O 등을 소스 가스로 이용하여 플라즈마 가속 화학기상증착(Plasma enhanced chemical vapor deposition, 이하 PECVD) 방식으로 형성할 수 있다. 상기 차단층(110a)은 후속 공정에서 기판(110)의 이물질이 활성층(110a)으로 침투하는 것을 방지하는 역할을 한다. 1 is a process chart of a method of manufacturing a polycrystalline silicon thin film according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1A, the
이어서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 활성층(150)에 복수 개의 금 나노로드(160)를 코팅한다. 상기 금 나노로드(160)는 당해 기술분야에 공지되어 있는 금 나노로드의 제조방법에 의해 제조될 수 있으며, 예를 들어 전해법, 화학 환원법, 광 환원법 등이 있다. 전해법은 양이온성 계명활성제를 함유하는 수용액을 정전류 하에서 전해하여, 양극의 금판 등으로부터 금 클러스터를 용탈(溶脫)시켜 금 나노로드를 생성한다. 상기 계면활성제는 질소원자에 4 개의 소수성(疏水性) 치환기가 결합된 구조를 갖는 4급 암모늄이 사용되고, 또 자율적인 분자 집합체를 형성하지 않는 화합물, 예를 들어 테트라도데실암모늄브로마이드(TDAB) 등이 첨가되어 있다. 금의 공급원은 양극의 금판으로부터 용탈되는 금 클러스터이고, 염화금산 등의 금염은 사용되고 있지 않다. 전해 과정에서 초음파를 조사하여, 용액 중에 은판(銀板)을 침지시켜 금 나노로드의 성장을 촉진한다(Yu, Y. -Y. Yu, S. -S. Chang, C. -L. Lee, C. -L. Lee, C.R.C. Wang, J. Phys. Chem. B, 101, 6661(1997) 참조). 화학 환원법은 NaBH4에 의해서 염화금산(HAuCl4)을 환원하여 금 나노로드를 생성시키고, 이 금 나노로드를 종(種) 입자(seed particle)로 하여 용액 속에서 성장시킴으로써 그 나노로드를 얻는다. 상기 종 입자와 성장 용액에 첨가하는 염화금산의 비 및 성장시간에 의해 생성되는 금 나노로드의 길이가 결정된 다(N.R.Jana, L. Gearheart, C.J.Murphy, J. Phys. Chem. B, 105, 4065(2001) 참조). 광 환원법은 전해법과 거의 같은 용액에 염화금산을 첨가하여, 자외선 조사에 의해 염화금산을 환원한다. 광 조사에는 저압 수은 램프를 사용하고 있다. 광 환원법에서는 종입자를 생성시키지 않고 금 나노로드를 생성시킬 수 있다. 길이의 제어는 조사 시간에 의해 가능하다(F.Kim, J.H.Song, R. Yang, J.Am. Chem. Soc., 124, 14316(2002) 참조).Subsequently, as illustrated in FIG. 1B, a plurality of
상기 금 나노로드(160)는 금 나노로드를 포함하는 용액을 활성층(150) 표면에 도포한 다음 건조시킴으로써 코팅시킬 수 있다. 이 때, 금 나노로드를 패터닝하여 결정화 시키면 횡적 결정화(lateral crystallization)이 가능하다. 상기 금 나노로드는 직경에 대한 길이의 비율이 0.5 내지 2일 수 있다. The
상기 활성층(150)과 상기 금 나노로드(160) 사이에 열전달층(160a)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 열전달층(160a)은 Mo, Cr, Au, Ag 등의 금속이나 AlN 등의 절연체일 수 있고, 두께는 100Å에서 5000 Å 일 수 있다. 상기 열전달층(160a)은 상기 금 나노로드(160)에서 생성된 열이 상기 활성층(150)으로 전달되는 것을 촉진하여 적은 출력의 광으로도 결정화가 효율적으로 일어날 수 있다. 또한, 균일한 열전달이 가능하므로 기판이 대면적이라도 균일한 결정화가 가능하다. 그리고 금 나노로드에 포함되어 있는 불순물이 활성층으로 침투하는 것을 방지할 수 있다.The method may further include forming a
이어서, 상기 도 1c와 같이, 상기 금 나노로드(160)에 적외선 영역의 광을 조사하여 상기 활성층(150)을 결정화 시킨다. 상기 적외선 영역의 광원으로는 레 이저나 램프가 사용될 수 있다. 램프를 사용하면 대면적의 기판을 한 번에 결정화 하는 것이 가능하다. 이러한 적외선 영역의 광의 파장은 750nm 내지 910nm일 수 있고, 출력은 5~20W 일 수 있다. 상기 금 나노로드(160)는 적외선 영역의 광을 흡수하여 열을 발생시키고, 발생된 열에 의하여 상기 활성층(150)의 비정질 실리콘이 다결정 실리콘으로 결정화 된다. 본 발명의 실시예에 의하면, 결정화에 적외선 영역의 광을 이용하므로 SPC (Solid phase crystallization), MIC(metal induced crystallization) 등의 방법과 달리 100 ℃ 이하의 낮은 온도에서도 결정화가 가능하다.Subsequently, as shown in FIG. 1C, the
도 2는 본 발명의 실시예에 의하여 제조되는 박막 트랜지스터를 예시한다. 2 illustrates a thin film transistor manufactured by an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 기판(210)의 일 영역 상에 게이트(220)가 형성되어 있으며, 기판(210) 및 게이트(220) 상에는 게이트 절연층(230)이 형성되어 있다. 여기서, 기판(210) 상에는 산화물질 또는 질화물질로 형성된 차단층(210a)을 더 포함할 수 있다. 게이트(220)에 대응되는 게이트 절연층(230) 상에는 활성 영역에 해당하는 채널(250)이 형성되어 있다. 그리고, 채널(250)의 양측부에는 소스 전극(270a) 및 드레인 전극(270b)이 형성되어 있다.Referring to FIG. 2, a
이하, 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 박막 트랜지스터의 제조 방법에 대해 설명하고자 한다. Hereinafter, a method of manufacturing a thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3A to 3E.
도 3a를 참조하면 기판(210)을 마련한다. 기판(210) 상에 차단층(210a)을 형성한 후 그 위에 금속 또는 전도성 금속 산화물 등의 전도성 물질(220a)을 도포하고, 패터닝함으로써 게이트(220)를 형성한다. 그리고 도 3b를 참조하면, 게이트(220) 상부에 CVD 등의 공정으로 절연 물질을 도포하고 패터닝하여 게이트 절연층(230)을 형성한다. Referring to FIG. 3A, a
도 3c를 참조하면, 게이트(220)에 대응되는 게이트 절연층(230) 상에 전술한 실시예와 동일한 방법으로 채널 물질인 비정질 실리콘(250a), 열전달 층(260a), 금 나노로드(160)를 순서대로 도포한 뒤 비정질 실리콘(250a)을 결정화 시킨다.Referring to FIG. 3C, the channel material is
도 3d를 참조하면, 상기 금 나노로드(260) 및 열전달층(260a)을 제거하고, 상기 결정화된 실리콘(250a)에 불순물 이온을 주입한 뒤 이를 건식 또는 습식 식각법 등에 의해 패터닝함으로써 채널(250)을 얻는다. Referring to FIG. 3D, the
도 3e를 참조하면, 도전성 물질을 채널(250) 및 게이트 절연층(230) 상에 도포한 뒤 이를 소정 패턴으로 패터닝하여 채널(250)의 양측부에 연결되는 소스(270a) 및 드레인(270b)을 형성한다. 상기 소스(270a)와 드레인(270b)은 전도성 금속 산화물, 또는 금속 물질로 형성될 수 있다. 전도성 금속 산화물로는 통상적으로 알려진 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ZAO(Zinc Aluminum Oxide) 등이 예시되며, 금속 물질로는 Ti, Pt, Cr, W, Al, Ni, Cu, Mo, Ta 또는 이들 의 합금이 사용될 수 있다. Referring to FIG. 3E, a conductive material is coated on the
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 실리콘의 결정화 정도를 확인하기 위한 라만 스펙트럼(Raman Spectrum)이다. 다결정 실리콘은 라만 스펙트럼 상에서 510 cm-1의 고유한 피크를 보이게 된다. 도 4를 참조하면, 도면에서 색인번호 1과 2는 광 처리(또는 광 흡수)가 되지 않은 Si 단일층 및 Si/Mo 적층에 대한 라만 스펙트럼을 보이며, 3, 4, 5는 실리콘 결정화에 이용되는 나노 로드가 실리콘 위에 형성된 상태에서 나노 로드에 광 조사가 이루어진 실리콘의 스펙트럼을 나타낸다. 여기에서 3은 실리콘 위에 열전달층 없이 금나노로드를 코팅한 후 광 흡수가 된 것을 보이는데 이의 스펙트럼은 다결정 실리콘의 피이크를 보이지 않다. 그리고, 4, 5는 다결정 실리콘 피이크를 갖는 라만 스펙트럼으로서 4는 나노 로드 밑에 열전달층이 형성된 상태에서 약 8와트의 광 조사가 이루어진 후의 라만 스펙트럼을 보이며, 5는 나노 로드 밑에 열전달층이 없이 약 12 와트의 광 흡수가 일어난 것을 보인다. 이를 통해 종합적으로 살펴볼 때 비정질 실리콘 위에 금 나노로드를 코팅한 후 나노 로드에 광을 흡수시켰을 때 결정화가 일어나며, 나노로드 밑에 열전달층이 있는 경우 없는 경우에 비해 낮은 광 흡수, 즉 낮은 광 출력에서도 결정화가 나타남을 알 수 있다.4 is a Raman Spectrum for checking the degree of crystallization of silicon according to an embodiment of the present invention. Polycrystalline silicon will show an inherent peak of 510 cm −1 on the Raman spectrum. Referring to FIG. 4,
상기와 같은 실시예를 통해서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상에 의해 박막 트랜지스터를 이용하여 디스플레이 또는 메모리 소자 등의 다양한 전자 소자를 제조할 수 있을 것이다. 본 발명의 실시예에 의한 박막 트랜지스터는 바텀 게이트형 또는 탑 게이트형으로 사용될 수 있다. 결과적으로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.Through the above embodiments, those skilled in the art will be able to manufacture various electronic devices such as displays or memory devices using thin film transistors according to the spirit of the present invention. The thin film transistor according to the embodiment of the present invention may be used as a bottom gate type or a top gate type. As a result, the scope of the present invention should not be defined by the described embodiments, but should be determined by the technical spirit described in the claims.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다결정 실리콘 박막 제조방법의 공정도이다.1 is a process chart of the polycrystalline silicon thin film manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터 개략적인 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view of a thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터 제조방법의 공정도이다.3 is a flowchart of a method of manufacturing a thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
110, 210: 기판 220: 게이트110, 210: substrate 220: gate
230: 게이트 절연층 150,250: 채널층230:
160, 260: 금 나노로드 260a: 열전달층160, 260:
270a: 소스 270b: 드레인270a:
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